Produktion eines HSHL-Getränkeuntersetzers: Kleben (Station 2): Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 10. Januar 2023, 08:43 Uhr

Autoren: Frederik Baune, Matthias Hernzel
Dozent: Prof. Dr. Mirek Göbel
Wintersemester: 2021/2022
Fachsemester: 7

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Einleitung

Dieses Projekt wurde in dem Praktikum „Produktionstechnik“ des Schwerpunkt-Moduls „Global Production Engineering III“ durchgeführt. Es ist Teil des 7. Semesters des Studiengangs „Mechatronik“ an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Die Aufgabe dieses Praktikums ist der Aufbau eines automatisierten Systems mit Hilfe einer Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) des Unternehmens Siemens. Als Programmier-Software wird das Siemens spezifische Programm „TIA-Portal“ verwendet.

Gesamtkonzept

Die Gesamtaufgabe dieser Anlage ist die Produktion von HSHL-Getränkeuntersetzern, welche als Werbegeschenke dienen können. Für die Umsetzung dieses Projekts wurden vorab spezifische Anforderungen gestellt:

Projekt soll nachhaltig sein → Weiterentwicklungs-Möglichkeiten für nachfolgende Semester
System soll auf vier Stationen aufteilbar sein
Getränkeuntersetzer sollen individualisierbar sein
Nutzung des vorhandenen Förderbands der MPS-Anlage als gemeinsame Schnittstelle

In Folge dieser Anforderungen wurde das System in vier unterschiedliche Stationen aufgeteilt. Die erste Station „Kommissionierung" befasst sich mit der Bestückung des Warenträgers. Station drei „Montage“ fügt die vier einzelnen Komponenten zusammen. Die letzte Station „Verpackung“ umhüllt den fertigen Getränkeuntersetzer mit einer eigens kreierten Verpackung.

Fertigungsaufgabe

Speziell die Station „Kleben“ ist für das Auftragen eines Klebers verantwortlich. Dieser wird mittels Klebepunkte über sechs Klebedüsen in die Einkerbungen der Grundplatte gesetzt. Der Kleber sorgt für einen festen Halt der anschließend eingesetzten Einzelteile.

Umsetzung des Klebekonzepts

Aufbau der Station

Um den Klebeprozess innerhalb der MPS-Anlage möglichst einfach und effizient umzusetzten sollte nun ein Konzept ausgearbeitet werden, was den Klebstoff auf den kommissionierten Warenträger aufträgt. Das Konzept wurde zunächst in mehrere verschiedene kleinere Systeme runtergebrochen:

1) Die Klebedosage

Um den Klebstoff in einem präzisen und wiederholbaren Art und Weise durchzuführen wurde ein entsprechendes Konzept ausgearbeitet. Um dies zu gewährleisten wurde ein Pneumatikzylinder mit der Hubstange einer Spritze verbunden (siehe Abbildung xxx). Am Ende der Spritz wurde ein Schlauchanschluss befestigt, an welchem ein einfacher pneumatik Schlauch weiter bis zur Bandanlage mit den zu klebenden Bauteilen führte. Somit kann der Kleber mittels pneumatischer Beaufschlagung des Zylinders aus der Spritze zum Zielort gedrückt werden. Die stärke bzw. Geschwindigkeit des Klebstoffstrom kann hierbei über die Drosselrückschagventile des Zylinders justiert werden.

2) Die Klebevorrichtung

Die Klebevorrichtung soll als eine Art Verteilstation fungieren (siehe Abbildung xxx). Der Kleber kommt von der zuvor beschiebenen Klebedosage und gelangt an der oberen Seite in die Klebevorrichtung. Der Klebstoffstrom teilt sich hierbei auf und an der Unterseite treten dann an mehreren Stellen der Klebstoff aus Düsen aus. Somit soll eine bessere HAftung der einzelnen Bauteile des HSHL-Untersetzters gegeben sein.

3) Der Transport des Klebers & Klebevorrichtung

Mittels dem zu Verfügung gestellten PickAlpha wird die Klebevorrichtung und respektive der geförderte Kleber von der Station bis über das Förderband bewegt. Anschließend soll diese dann auf das Band präzise abgelassen werden. Dieses Konzept wird deshalb verfolgt, da so keine aufwendiger Transprot des Werkstückträger vom Förderband zur Station mehr gegeben ist, sondern der ganze Klebevorgang auf das Förderband verlagert wird. Somit sollte der Aufbau einfacher und der Ablauf zuverlässiger werden.

4) Die Steuerung der Anlage

Um die Dosierung des Klebers, die Steuerung des Pickalpha's sowie jedliche anderen Aktoren des Systems zu steueren und ab auch die Sensordaten auszuwerten wird die Anlage mittels Siemens SPS gesteuert.Dabei empfängt diese 7 Eingange und gibt SIgnale an 6 AUsgänge wieder aus. Welche diese sind ist in der Anschlusstabelle (Abbildung xxx) zu sehen.

Vorgehensweise nach V-Modell

Das V-Modell wird eingesetzt, um dem Benutzer bei der Organisation und Durchführung eines anstehenden Projekts zu helfen. Es visualisiert das lineare Vorgehen der einzelnen Projektphasen. Angefangen bei den Anforderungen des Projekts begleitet es den Benutzer bis schlussendlich der Abnahmetest das erfolgreiche Abschließen des Projekts bestätigt. Dabei sind die einzelen Schritte des absteigenden Pfades mit den korrespondierenden Schritte des aufsteigenden Pfades sinnhaftig miteinander verknüft und bauen aufeinader auf.

Anforderungsdefinition

Innerhalb der Anforderungsdefinition werden die Aufgaben des Projekts festgelegt und anhand von festgelegten Anforderungen spezifiziert. Bei der Anforderungsdefinition wurden unter anderem folgende Aspekte definiert:

Geometrie & Gewicht der Station und der einzelnen Komponenten
Aufbau der Station
Verwendete Software und Werkzeuge
Sicherheit und wie diese gewährleistet wird

Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf werden die zu erfüllenden Funktionen der Anlage in einem Programmablaufplan (PAP) gegliedert. Hierfür wurde das Programm "PAP-Designer genutzt. Bei der Erstellung wurde bewusst auf Unterprogramme verzichtet, um alle Funktionen auf einer Ebene sichtbar zu halten. Der Klebevorgang begindet für jeden neuen Untersetzter wieder von Beginn, sodass der hier dargestellt Ablauf einen Durchgang darsetllt. Der Ablauf wird also immer wieder zyklisch durchlaufen sobald ein neuer Werkstückträger an die Station kommt.

Nachfolgend ist der (zyklisch) funktionale Ablauf vereinfacht dargestellt:

1) Der Werkstückträger kommt an die Station Kleben und gibt das Signal den Vorgang zu starten

2) Der Pickalpha fährt zunächst (falls nicht schon gegeben) in Grundstellung. Dann hebt er die Klebevorrichtung über das Förderband.

3) Die Klebevorrichtung wird mittels Zylinder abgesenkt bis sie kurz über dem Untersetzer schwebt.

4) Der Dosierzylinder drückt den Klebstoff durch den Schlauch auf den Untersetzer.

5) Anschlißend fährt die Klebevorrichtung wieder hoch und der Pickalpha fährt wieder in DIe Grundstellung zurück.

6) Es wird ein Signal an die BAndanlage ausgegeben, dass der Werkstückträger weiterbefördert werden kann.

Hinweis: Falls der Klebstoff in der Spritze leer werden sollte kann der aktuelle Klebevorgang noch beendet werden und anschließend wird die Steuerung ausgesetzt und es wird eine Störung ausgegeben.

Auf der Basis dieses PAPs, welcher im Grunde einen Grafcet darstellt, erfolgt die Programmierung der SPS (siehe Abschnitt "Programmierung"). Mittels der SPS werden alle Funktionen der Station verwaltet.

Technischer Systementwurf

Beim technischen Systementwurf werden nun alle Beziehungen der Systeme untereinander klar. Ebenso werden die einzelnen Konzepte zur Umsetzung der gesamten Anlage dargestellt. Aus Abbildung xxx geht hierbei hervor, dass eine SPS als zentrales Steuerungselement fungiernen soll. Alle Sensorsignalen bzw. Inputsignale werden in der SPS eingelesen und verarbeitet. Analog dazu werden die Signale für alle Ausgänge von der SPS wieder ausgegeben und an die Aktoren übermittelt. Zu den Sensoren gehören drei mal je zwei Endlagen für PickALpha und zwei Pneumatikzylinder, sowie ein Signal von der Förderbandanlage. Die Ausgänge sind zum einen die Ansteuerung der Pneumatikzylinder, sowie die drei Relais um den PickAlpha im Vorwärts- und Rückwärtslauf zu betreiben. Ebenso ein Ausgnagssignal für die Bandanlage für die Information wenn ein Werkstück fertig bearbeitet ist.

Des Weiteren wird aus dem technischen Systementwurf deutlich wie die pneumtischen Schlatkreise aufgebaut sind. Die Druckluftversorgung speist zunächst eine zentrale Ventilinsel. Von dieser aus werden dann durch die zuvor beschriebene SPS die Pneumatikzylinder entsprechend angesteuert.

Komponentenspezifikation

Nachdem die Schnittstellen und zu verwendenden Komponenten festgelegt wurden, müssen diese in der Komponentenspezifikation detaillierter betrachtet werden. Für die Schnittstelle Station und SPS wurden die einzelnen Ein- und Ausgänge definiert. Zusätzlich wurden die Spannungen und Ströme ermittelt. Diese erleichtern die spätere Verdrahtung der SPS, indem die Anschlussklemmen bereits vordefiniert werden. Die Komponentenspezifikation wurde dabei auf die drei Stationen Transfer, Transport und Kleben aufgeteilt, wobei die benötigten Komponenten jeder Station festgelegt wurden. Des Weiteren wurde die SPS und die Versorgungseinheiten als zusätzliche Komponenten aufgenommen und durch sämtliche Ein-, Ausgänge und Bauteile definiert.

Programmierung

Um die gesamte Anlage zu steueren wird auf eine Siemens SPS ET200 zurückgegriffen. Nach einer anfänglichen Erstinbetriebnahme wurde die SPS mit dem auf dem PC installierten TIA Portal verbunden und das Programm programmiert.

Bei der Programmierung stellt sich zunächst die Schwierigkeit in welchem Funktionsbaustein das Programm geschrieben werden sollte. Die Auswahl fiel hierbei allerdings auf eine Schrittkettenprogrammierung. Dafür sprachen zum einen, dass die Station einen zyklischen Ablauf besitzt, welcher mittels Schrittketten sehr gut abgebildet werden kann. Zum anderen wurde zuvor im funktionalen/technischen Systementwurf der Ablauf sehr nahe eines Grafcets entworfen. Da die Schrittkettenprogrammierung im Grunde einen solchen Grafcet abbildet war es somit einfach diesen Ablaufplan in einem Programm abzubilden.

Der eigentlichen Ablauf der Schrittkette sieht fertiggestellt somit folgernder maßen aus:

1.) Alle Bauelemente fahren in Grundstellung

2.) Der Picklpha fährt über das Förderband aus.

3.) Die Klebevorrichtung wird auf den kommissionierten Warenträger abgesenkt.

4.) Der Dosierzylinder wird angesteuert, sodass der Kleber durch die DÜsen auf den Untersetzter fließt.

5.) Die Klebevorrichtung wird wieder angehoben

6.) Der Pickalpha fährt wieder in Grundstellung zurück

Zusatz: Sollte vor oder während eine Klebevorgangs der Klebstoffvorrat in der Spritze kritsch niedrig werden, gibt die Steuerung einen Fehler aus und fährt wieder in Grundstellung. Ein Weiterbetrieb ist dann erst möglich sobald Klebstoff augefüllt worden ist. Aktive Zyklen können jedoch aufgrund einer einkalkulierten Reserve noch beendet werden.

Komponententest

Innerhalb des Vorgangsschritts „Komponententest“ sollen die verwendeten Komponenten auf ihre Funktionsfähigkeit untersucht werden. Aufgrund fehlender Komponenten (durch Lieferungsverzug) konnte dieser Schritt in der Projektbearbeitung nicht mehr realisiert werden. Nachfolgend wird eine beispielhafte Testung eines Pneumatikzylinders beschrieben.

Testung eines Pneumatikzylinders:

Befestigung des Zylinders an einer steifen, unnachgiebigen Oberfläche
Verschlusskappen der Zylindereingänge entfernen
Ventilanschlüsse einschrauben
Drosseln der Ventilanschlüsse auf einen geringen Durchgangsfluss einstellen
Druckluftschläuche in die Ventilanschlüsse einführen
Druckluftschläuche in die Versorgungseinheit einführen → Versorgungseinheit vorher auf Sperrstellung stellen
Sperrstellung der Versorgungseinheit langsam drehen, um Luftzufuhr zu generieren
Verfahrrichtung der Kolbenstange kontrollieren
Verfahrgeschwindigkeit und -verhalten der Kolbenstange kontrollieren

Die Testung gilt als erfolgreich, sobald die Kolbenstange der vorhergehenden Schaltung entspricht und die Stange ruckelfrei und ohne Geräuschentwicklung verfährt.

Komponente	Status	Datum	getestet von
Induktiver Sensor am Förderband	nicht getestet
Doppeltwirkender Druckluftzylinder 200mm	nicht getestet
Doppeltwirkender Druckluftzylinder 150mm	nicht getestet
Reedkontakte	nicht getestet
Drosselrückschlagventile	nicht getestet
Druckminderer mit Manometer	nicht getestet
SPS-Netzteil	nicht getestet
Schrittmotorachse	nicht getestet

Integrationstest

Durch den Integrationstest sollen mehrere Komponenten im Zusammenspiel miteinander getestet werden. Dadurch können Fehler des Schaltungsaufbaus oder in der Programmierung des SPS-Programms identifiziert werden. Aufgrund der Tatsache, dass einige Komponenten nicht zeitgemäß eingetroffen sind, konnte dieser Projektschritt nicht realisiert werden. Im Genauen sind zwei 3D-Druckteile und drei bestellte Komponenten nicht zeitgemäß eingetroffen. Die fehlenden 3D-Druckteile sind die Traverse (siehe Stückliste) und die Führungssäule (siehe Stückliste). Aufgrund der Maße dieser Komponenten konnten beide nicht durch den Filament-Drucker der Hochschule erzeugt werden. Des Weiteren befand sich der 3D-Drucker mit größerer Druckfläche im Störmodus. Die bestellten Komponenten setzen sich aus den vier Drosselrückschlagventilen, einem Druckregelventil und vier Näherungsschaltern (Abbildungen dieser Komponenten befinden sich in der Stückliste) des Herstellers FESTO zusammen. Der Schutzkäfig konnte trotz der fehlenden Komponenten zusammengebaut werden. Ein Aufbau der Druckluftversorgung war aufgrund der fehlenden Komponenten noch nicht sinnvoll. Sobald die Komponenten eingetroffen sind kann dieser Aufbau erfolgen.

Funktion	Status	Datum	getestet von
Einwandfreie Bewegung des Zylinders mit Schutzkäfig	nicht getestet
Einwandfreie Bewegung des Zylinders auf dem Förderschlitten	nicht getestet
Korrekte Ansteuerung der Zylinder durch die Ventile auf der Ventilinsel (durch Handbetätigung)	nicht getestet
Korrekte Positionierung der Reedkontakte auf den Zylindern	nicht getestet
Überlappung der Greifernase und dem ankommenden Objektträger	nicht getestet
Korrekter Ablauf der Funktionsschritte durch das SPS-Programm	nicht getestet
Korrekte Haltepositionen des Schrittmotors	nicht getestet
Korrekte Ansteuerung der Zylinder durch die Ventile auf der Ventilinsel (durch SPS-Programm)	nicht getestet

Ergebnis

Zum Ende des diesjährigen Praktikums wurde bereits eine nahezu vollständig funktionierende Anlage konstruiert. Vollständig in Betrieb sind somit schon die Klebstoffdosierung, die Ablaufsteuerung, die Ansteuerung des PickAlpha's sowie die Ansteuerung der Zylinder mittels Ventilinsel sowie die Einbindung aller Sensoren. Das System kann bereits eine reibungslosen "Trockenlauf" absolvieren in dem der Durchgang eines Zyklus bis auf die tatsächliche Ausgabe des Klebers erfolgt.

Einzig kleinere Ergänzungen wie der Einbau von Düsen in die Klebervorrichtung, sowie ein Testdurchlauf mit echtem Kleber sind noch durchzuführen. Alle für diese AUfgaben benötigten Teile wurden größtenteils bereits bestellt wurden jedoch noch nicht geliefert. Ebenso ist im SVN eine Anweisung erstellt in der genau beschrieben ist, welche Arbeiten noch zu erledigen sind, sobald alle Bauteile vorhanden sind, um die Anlage gänzlich fertig zu stellen.

Ausblick

Verwendete Software

Solid Works: Konstruktion der 3D-Druckteile und Erstellung benötigter Zeichnungen
MS PowerPoint: Aufstellung des Konzepts, Erstellung des technischen Systementwurfs
MS Excel: Erstellung der Anforderungsdefinition, Komponentenspezifikation
PapDesigner: Erstellung des funktionalen Systementwurfs
Siemens TIA-Portal V15.1: Erstellung des SPS-Programms
TinyCAD: Erstellung der Schaltpläne

Verwendete Hardware

→ siehe Stückliste

Verwendete Komponenten der Station Kleben:

Funktion	Bezeichnung	Material	Hersteller	Anzahl	Preis	Beschreibung	Bild
Mechanik	-	Kunststoff	Eigenherstellung	1	-	Deckenplatte-Schutzkäfig Datei:Käfigplatte.SLDPRT	Deckenplatte
Mechanik	-	Plexiglas	Eigenherstellung	4	-	Seitenscheiben - Schutzkäfig Datei:Seitenwände.SLDPRT	Seitenscheibe
Mechanik	3D-Druckteil	3D-Druck-PLA Filament	Eigenherstellung	4	-	Käfigsäulen - Schutzkäfig Datei:Käfigsäule.SLDPRT	Käfigsäule
Mechanik	Bosch-Profil	-	Bosch	2	-	45x45mm 4Kant-Boschprofil Datenblatt	Boschprofil ^[2]
Mechanik	3D-Druckteil	3D-Druck-PLA Filament	Eigenherstellung	6	-	Klebedüsen - Schutzkäfig Datei:Klebedüse.SLDPRT	Klebedüse
Mechanik	3D-Druckteil	3D-Druck-PLA Filament	Eigenherstellung	1	-	Traverse - Schutzkäfig Datei:Traverse.SLDPRT	Traverse
Mechanik	3D-Druckteil	3D-Druck-PLA Filament	Eigenherstellung	1	-	Förderer - Adapterplatte Datei:Förderer-Adapterplatte.SLDPRT	Adapterplatte
Mechanik	3D-Druckteil	3D-Druck-PLA-Filament	Eigenherstellung	4	-	Führungssäule Datei:Führungssäule.SLDPRT	Führungssäule
Pneumatik	Normzylinder DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3	-	Festo	1	-	Doppeltwirkender Zylinder-32mm Kolben M6 Außengewinde, 200mm Hub-verdrehsicher Datenblatt	Zylinder 200mm Hub^[3]
Pneumatik	Normzylinder DSBC-Q-32-150-D3-PPVA-N3	-	Festo	1	-	Doppeltwirkender Zylinder-32mm Kolben M6 Außengewinde, 150mm Hub-verdrehsicher Datenblatt	Zylinder 150mm Hub^[4]
Pneumatik	Ventilinsel VP10-VI	-	Festo	1	347,98€	10P-10-2E-IC-N-A-GG+H2D Datenblatt	Ventilinsel^[5]
Pneumatik	Drossel-Rückschlagventil GRLA-1/8-QS-6-D	-	Festo	4	-	Abluft-Drossel-Rückschlagfunktion-einschraubbar-185l/min-0,2-10bar Datenblatt	Drosselrückschlagventil^[6]
Pneumatik	Druckregelventil LR-1/4-DB-7-MINI	-	Festo	1	-	Mini-44mm-Drehknopf mit Arretierung-Sekundärlüftung-mit Manometer Datenblatt	Manometer^[7]
Elektrik	SPS	-	SIEMENS	1	-	6EP7133-6AE00-0BN0 Datenblatt	SPS^[8]
Elektrik	Näherungsschalter SMT-8M-A-PS-24V-E-2,5-OE	-	Festo	4	-	T-Nut-magnetoresistiv-Schließer-Positionsmessung Datenblatt	Reedkontakt^[9]
Elektrik	Förderer	-	Igus	1	-	Schrittmotorachse Datenblatt	Schrittmotorachse^[10]

Literaturverzeichnis

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[1] ttps://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Ampel-Demonstrator/ V-Modell Projekt Ampeldemonstrator

[2] ttps://catch.app/itm/v1%7C124881444190%7C425961454533

[3] ttps://www.festo.com/de/de/a/1463250/?q=1463250~:festoSortOrderScored&identCode1=DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3

[4] ttps://www.festo.com/de/de/a/1463250/?q=1463250~:festoSortOrderScored&identCode1=DSBC-Q-32-200-D3-PPVA-N3

[5] ttps://www.festo.com/de/de/a/18200/?q=18200~:festoSortOrderScored&identCode1=10P-10-2E-IC-N-A-GG%2BH2D

[6] ttps://www.festo.com/de/de/a/193144/

[7] ttps://www.festo.com/de/de/a/539682/?q=539682~:festoSortOrderScored

[8] ttps://www.elektromax24.de/Siemens-Stromversorgung-SIMATIC-ET-200SP-PS-1phasig-DC-24V-5A?gclid=EAIaIQobChMI6fz8jbjh9QIVyO5RCh2WQwYGEAQYFiABEgKfZ_D_BwE

[9] ttps://www.festo.com/de/de/a/574335/

[10] ttps://www.igus-cad.com/default.aspx

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